高精度测量标准更容易在制造现场使用

2016/04/30

高精度测量标准在制造现场更易于使用不易受周围环境影响的超小型标准电阻

日常生活中常用的长度、重量、电量等计量单位。这些标准不仅支撑着人们的生活，也是一切研究活动的必备标准，是科技和产业发展的基础。企业和研究机构使用的测量长度、重量、电能等的设备都是根据法律法规进行校准（测量数值的偏差程度）的，如果追溯校准机构的上游，就会发现校准的源头是产业技术综合研究所计量标准中心。 AIST是制定和传播长度、重量、电量等单位测量标准的国家组织，可以说是日本的总公司。
同时，AIST也致力于研究和开发更易于使用的标准和标准设备，并于2011年成功开发了精度和易用性显着提高的电阻标准（标准电阻器）。

保护和培育日本的“测量”

　在日常生活中，我们从不质疑“测量值”。如果你在超市的肉类区看到200克的牌子，你会以为是200克，如果告诉你100米冲刺记录是10秒，你就会相信。测量值之所以可以被理所当然地接受，是因为基于测量法保证了测量标准的可追溯性。此外，这些标准与国际严格一致。

　也就是说，我们的生活和工业离不开计量标准，而计量标准可以说是社会的基础。

　对于计量标准这样重要的基础技术，在日本，产业技术综合研究所的计量标准中心正在制定国家标准并提供基于该标准的标准。此外，我们的研究任务是提高精度并创建更易于使用的标准。''

该中心的金子信久如是说。 2011年，他成功开发了一种供公司和研究实验室使用的标准电阻器，该电阻器准确、紧凑且易于使用。

　在开发和制造工业设备的过程中，经常使用测量仪器来测量产品和零件的电阻，但这些测量仪器所指示的值是否正确是使用标准电阻器定期确认的。

这种确认工作称为“校准”，许多公司通常使用自己的标准电阻来校准测量仪器。大多数情况下，该标准电阻器每年使用日本电表检验研究所（JEMIC）等校准机构的标准电阻器进行校准一次，而校准机构的标准电阻器最终是根据AIST持有的国家电阻标准进行校准的。 AIST使用日本唯一的国家电阻标准来校准校准研究所的标准电阻器，从而使日本所有测量仪器都与AIST的国家标准连接，并确保电阻值的准确性。

瞄准手掌大小的标准设备

　标准电阻器通常由含有镍或铬的合金线缠绕而成，具有一定的电阻值。传统高精度标准电阻的尺寸约为30 x 20 x 20厘米（大约相当于急救箱的大小），重约5公斤。而且，由于容易受到周围温度的影响，因此温度控制较困难，不能说是容易操作的。

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　Kaneko 表示，在加入 AIST 并开始参与计量标准研究之前，他并不知道标准电阻如此模拟且难以使用。认识到需要一种更易于在现场使用的标准电阻器，他开始开发一种适合手掌的标准电阻器。

　2006年，我们开始与精密电阻顶级制造商阿尔法电子有限公司联合研究，目标是开发一种体积小、重量轻、耐振动、比传统产品更精确的标准电阻。

将薄膜电阻漂浮在油上

　传统的标准电阻器之所以容易受到周围环境和振动的影响，是由于其结构的原因。标准电阻器通过将合金线缠绕成线圈来调节电阻，并使用环氧树脂等粘合剂将线粘合到底座上。然而，随着时间和周围环境（例如温度、湿度和压力），底座、合金导线和粘合剂各自的形状和特性会产生不同程度的变化。也就是说，在不同的条件下，每种物质的膨胀和收缩量都会不同，相互之间会产生很强的应力。

金子等人因此采用厚度为 50 µm 的薄膜电阻代替线圈。将该电阻器插入陶瓷基材中的狭窄空间中，并用硅油填充该间隙并将其密封。

　即使每个元件因温度等周围环境的变化而膨胀或收缩，或者其特性随时间变化，电阻器都漂浮在硅油中，因此不会受到这些影响的影响。硅油粘度较高，因此也避免了因振动而导致暂时变形的风险。''

　这并不是将电阻器漂浮在油中的唯一优点。在电阻器周围涂上具有适当热容量的油有助于抑制环境中的突然温度变化，使标准电阻器能够缓慢地适应周围温度。因此，现在可以在移动后立即执行校准工作。

　从产生想法到制作出满意的原型只用了大约一年半的时间。我们能够在开发初期就达到目标的基本性能，很大程度上是因为AIST拥有国家标准，这意味着我们处于一个可以通过与最高精度标准进行比较来验证产品的环境。通过测量大约一周即可预测长期老化率，因此即使在尝试新材料或制造条件时，也可以快速反馈测量结果并在下次尝试新材料和条件的循环。

　我们还开发了一种电阻器材料，以最大限度地减少老化的影响，但在此过程中，电阻器的表面经过了化学处理。退火(肖顿)^*1我们创建了一种新的电阻器，并立即通过国家标准对其进行了验证。更换材料和重新测试都很容易，因此我们能够在短时间内找到最佳条件。”

　由于金子的目标是将该标准电阻器投入实际使用，甚至作为一种高度通用的电阻元件，因此他继续进行详细的演示实验。除了振动测试、各种环境下的测试、持续测量随时间的变化外，我们还获得了海外实验室的合作，验证开发的标准电阻在飞机上手工运输和通过国际快递寄出时的数值会有多大差异。

可作为测量设备一部分的标准电阻器

　结果是一个尺寸为 4 厘米见方、7 毫米厚的标准电阻器。虽然它的重量只有25克，大约是手机电池组的大小，但其精度比以前的标准电阻器高出一个数量级。即使是带有连接器的产品形状也只有5厘米见方、8厘米高，重量也只有130克左右。此外，无需将其存放在油箱中，并且具有抗振动性，因此即使通过简单的方式运输也不会导致测量值出现问题。操作后也无需等待，可以立即稳定地获取所需的值。与以前需要工艺的标准电阻器不同，这种设计很难出错，现在任何人都可以进行校准工作。

（左）从新开发的标准电阻器（元件部分）中取出的薄膜电阻器（4厘米见方，7毫米厚，约25克）
（右）内部装有标准电阻并附有连接器的电阻标准装置（产品）（5cm见方，高8cm，约130g）

　与传统标准电阻器相比，我们创造了尺寸约为1/1000至1/20的电阻器，具有高精度，并且更易于使用。这种电阻器能够抵抗外部环境变化，即使您在盛夏将其带到室外，它也会提供稳定的值，而无需等待数小时才能恢复温度。它可以在任何地方进行管理，无需恒温室等特殊存储设备，并且不再需要高昂的维护成本。''

　小型化还导致了一种使用该标准的新方法的创建：“使用标准电阻器作为测量设备的组件。”

　我们相信，从一开始就将标准电阻纳入测量仪器的校准中，作为测量仪器的一部分，标准将会有更广泛的应用。到目前为止，企业内部很难准备高精度的标准电阻，或者即使准备好了，校准也很耗时，所以一些企业并没有积极使用标准。然而，如果这些公司能够使用高精度的标准，他们将有更好的机会开发和制造有竞争力的产品。计量标准最重要的是高精度和易用性。我们希望未来许多公司能够轻松地使用该标准。